JP2006129602A - Piezoelectric generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、従来の圧電セラミックス素子を用いた圧電発電装置よりも数十倍以上の出力電流を得ることができる圧電発電装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric power generation apparatus capable of obtaining an output current several tens of times or more than a piezoelectric power generation apparatus using a conventional piezoelectric ceramic element.
圧電材料は機械的エネルギーと電気的エネルギーとの間の変換素子用として多彩な応用面をもっている。圧電効果を示す物質は無機・有機ともに多くの材料が知られているが、現在実用レベルにある材料としてセラミックスのPZT系(piezoelectric ceramics)等の材料がある。 Piezoelectric materials have a variety of applications for transducers between mechanical energy and electrical energy. There are many known materials that exhibit a piezoelectric effect, both inorganic and organic, and materials that are currently in practical use include materials such as ceramic PZT (piezoelectric ceramics).
圧電セラミックス素子は、多結晶体に、直流高電圧を印加し残留分極を発生させて圧電性をもたせた素子であり、組成によりかなり自由に基本圧電定数を変化させることができるので、その用途は広い。特に、チタンジルコン酸亜鉛系の圧電セラミックス素子は、組成比や添加物の選択幅が広く適用範囲は多彩である。 Piezoelectric ceramic elements are elements that have a piezoelectric property by applying a DC high voltage to a polycrystal to generate residual polarization, and the basic piezoelectric constant can be changed quite freely depending on the composition. wide. In particular, titanium zirconate-based piezoelectric ceramic elements have a wide composition ratio and a wide selection range of additives and a wide range of applications.
ところで、従来の圧電発電装置は、アクリル材等の基本に圧電セラミックス素子板を接合し、基板の両端部を金属等の硬質材からなるホルダで固定したものである。そして、セラミックス素子板の上から鋼製の球を落下させて、圧電素子板に衝突による機械的衝撃エネルギーを印加し、基板を含めた圧電素子板にたわみ振動を励起して電気エネルギーを取り出すものである。 By the way, the conventional piezoelectric power generation device is one in which a piezoelectric ceramic element plate is bonded to a base such as an acrylic material, and both ends of the substrate are fixed by holders made of a hard material such as metal. Then, a steel ball is dropped from above the ceramic element plate, mechanical impact energy due to collision is applied to the piezoelectric element plate, and flexural vibration is excited in the piezoelectric element plate including the substrate to extract electric energy. It is.
上記従来のPZT系の圧電セラミックス素子は、実用性が期待されているものの、発電量が少ないため、圧電発電装置としては実用性に欠けるという問題があった。これは、この種の圧電セラミックス素子を用いた圧電発電装置にあっては、圧電セラミックス素子板の固有振動をできる限り長く継続させる必要が不可欠であると共に、いかに強力、かつ有効な衝撃力を圧電セラミックス素子に供与するか、が重要な要因である。 Although the conventional PZT-based piezoelectric ceramic element is expected to be practical, it has a problem that it lacks practicality as a piezoelectric power generation device because of its small amount of power generation. This is because it is indispensable for the piezoelectric power generation apparatus using this type of piezoelectric ceramic element to continue the natural vibration of the piezoelectric ceramic element plate for as long as possible, and how powerful and effective impact force is applied to the piezoelectric element. An important factor is whether or not to provide the ceramic element.
しかしながら、従来の圧電発電装置にあっては、圧電セラミックス素子板の固有振動が機械的な抵抗を伴わない支持構造ではないと共に、圧電セラミックス素子への衝撃力も、例えば、特許文献1に示すように、依然として鋼球で供与する構造のものが殆どであり、このような鋼球を用いた構造で十分な発電量を得ようとする場合は、該鋼球をできるだけ数多く圧電セラミックス素子に衝突させる他に手立てがない、という問題を有していた。 However, in the conventional piezoelectric power generation apparatus, the natural vibration of the piezoelectric ceramic element plate is not a support structure without mechanical resistance, and the impact force to the piezoelectric ceramic element is also, for example, as shown in Patent Document 1 Still, most of the structures are provided with steel balls. When trying to obtain a sufficient amount of power generation with such a structure using steel balls, the steel balls collide with piezoelectric ceramic elements as many as possible. Had a problem that there was no way.
そこで、本出願人は、特願2003−273595において、上記従来の鋼球を用いた圧電発電装置で得られる電流出力よりも数十倍以上の発電量を、一回の打撃により確実に得ることができると共に、この打撃を自動的に繰り返し得ることができる手段と併用することで、例えば、携帯電話の電源として、或いは、救命ブイ等の電源として、実用レベルの発電量をはじめて確保することが可能となる圧電発電装置を提案した。 In view of this, the applicant of the present patent application in Japanese Patent Application No. 2003-273595 can reliably obtain a power generation amount several tens of times greater than the current output obtained by the piezoelectric power generation device using the conventional steel ball by a single blow. In combination with means that can automatically repeat this blow, for example, as a power source for a mobile phone or a power source for a life-saving buoy etc., it is possible to secure a power generation amount at a practical level for the first time. A possible piezoelectric generator was proposed.
この提案された圧電発電装置は、板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、上記圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体を該圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、上記圧電セラミックス体に衝撃を与える加撃手段と、で構成し、該加撃手段は、鋼球と、該鋼球を殴打方向に作動させるスイッチ部材と、で構成し、該スイッチ部材は、鋼球による圧電セラミックス体への加撃動作時に、該鋼球に弾性体の付勢力を作用させるように構成したものである。 The proposed piezoelectric power generation apparatus includes a piezoelectric power generation apparatus that generates electric power by applying strain deformation to a piezoelectric ceramic body formed in a plate shape, the piezoelectric ceramic body, and the piezoelectric ceramic body. A cushion material that holds the vibration in a soft state in which vibration is difficult to be transmitted to another structure, and an impacting means that gives an impact to the piezoelectric ceramic body. The impacting means includes a steel ball and the steel ball. A switch member that operates in a striking direction, and the switch member is configured to apply an urging force of an elastic body to the steel ball at the time of an impact operation to the piezoelectric ceramic body by the steel ball. .
上記構成からなる先に提案した圧電発電装置は、従来の鋼球を用いた圧電発電装置で得られる電流出力よりも数十倍以上の発電量を、一回の打撃により得ることはできるが、圧電セラミックス体とクッション材が固定部に固定された構造であるため、鋼球によって加えられた力の一部は、発電に利用されないまま固定部へと伝達される構造であったため、発電効率が落ちるという課題を有していた。 The previously proposed piezoelectric power generation device having the above configuration can obtain a power generation amount of several tens of times or more than the current output obtained by a piezoelectric power generation device using a conventional steel ball by one impact, Since the piezoelectric ceramic body and the cushion material are fixed to the fixed part, a part of the force applied by the steel ball is transmitted to the fixed part without being used for power generation. Had the problem of falling.
この発明は、かかる現状に鑑み創案されたものであって、その目的とするところは、本出願人が先に提案した圧電発電装置で得られる電流出力よりもより大きな発電量を得ることができ構成が簡易な圧電発電装置を提供しようとするものである。 The present invention was devised in view of the current situation, and the object of the present invention is to obtain a larger amount of power generation than the current output obtained by the piezoelectric power generation apparatus previously proposed by the present applicant. A piezoelectric power generator with a simple configuration is to be provided.
上記目的を達成するため、本発明に係る圧電発電装置は、請求項1に記載したように、板状に形成された圧電セラミックス体に歪み変形を供与することで発電する圧電発電装置を、上記圧電セラミックス体と、該圧電セラミックス体を該圧電セラミックス体の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材と、上記圧電セラミックス体に衝撃を与える加撃手段と、で構成し、該加撃手段を、弾性支持部材の両端部に配設された鋼球で構成すると共に、上記圧電セラミックス体とクッション材を、上記圧電セラミックス方向に延びる弾性保持体に、上記弾性支持部材の固定部から離間した中空状態で保持させ、上記鋼球による加撃振動を弾性保持体で吸収し、該吸収した力を上記弾性保持体の復元力に加算させた状態で圧電セラミックス体を鋼球方向へと復動させるように構成したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a piezoelectric power generation apparatus according to the present invention comprises, as described in claim 1, a piezoelectric power generation apparatus that generates power by applying strain deformation to a piezoelectric ceramic body formed in a plate shape. A piezoelectric ceramic body, a cushion material that holds the piezoelectric ceramic body in a soft state in which the natural vibration of the piezoelectric ceramic body is difficult to be transmitted to other structures, and an impact unit that gives an impact to the piezoelectric ceramic body The impacting means is composed of steel balls disposed at both ends of the elastic support member, and the piezoelectric ceramic body and the cushion material are attached to the elastic holding body extending in the piezoelectric ceramic direction. Is held in a hollow state separated from the fixed portion of the steel, and the impact vibration caused by the steel ball is absorbed by the elastic holder, and the absorbed force is added to the restoring force of the elastic holder. The ceramic body is characterized by being configured so as to backward to the steel ball direction.
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の圧電発電装置を技術的前提とし、前記固定部と弾性保持部材との間に、弾性保持部材の振動周期を調整可能な支点体を移動可能に配置したことを特徴とする。 Further, the invention according to claim 2 is based on the technical assumption of the piezoelectric power generation device according to claim 1, and a fulcrum body capable of adjusting the vibration period of the elastic holding member between the fixed portion and the elastic holding member. Is arranged to be movable.
さらに、請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2のいずれかに記載の圧電発電装置を技術的前提とし、前記支点体は、前記弾性保持体に保持された圧電セラミックス体と鋼球との間隔を調整可能に構成されていることを特徴とする。
Further, the invention according to
以上説明したように、請求項1に記載した発明によれば、圧電セラミックス体とクッション材を、上記圧電セラミックス方向に延びる弾性保持体に、上記弾性支持部材の固定部から離間した中空状態で保持させ、上記鋼球による加撃振動を弾性保持体で吸収し、該吸収した力を上記弾性保持体の復元力に加算させた状態で圧電セラミックス体を鋼球方向へと復動させるように構成したので、2回目以降の圧電セラミックス体に加わる衝撃力は、鋼球による加撃力に加え、弾性保持体に蓄えられたエネルギー、即ち、前の衝撃力により蓄えられた弾性保持体へのエネルギーが弾性保持体の弾性復元力となって、圧電セラミックス体を鋼球方向へと移動させるため、該圧電セラミックス体には、次の鋼球による加撃力と圧電セラミックス体の移動による衝突力によって、鋼球の加撃力よりも大きな衝突力を得ることができ、その結果、より大きな発電量を得ることができる。 As described above, according to the first aspect of the present invention, the piezoelectric ceramic body and the cushion material are held in the hollow state separated from the fixing portion of the elastic support member by the elastic holding body extending in the piezoelectric ceramic direction. The impact vibration caused by the steel ball is absorbed by the elastic holding body, and the piezoelectric ceramic body is moved backward in the steel ball direction with the absorbed force added to the restoring force of the elastic holding body. Therefore, the impact force applied to the piezoelectric ceramic body for the second and subsequent times is the energy stored in the elastic holding body, that is, the energy to the elastic holding body stored by the previous impact force in addition to the impact force by the steel ball. Acts as an elastic restoring force of the elastic holding body, and moves the piezoelectric ceramic body in the direction of the steel ball. The piezoelectric ceramic body has an impact force by the next steel ball and the movement of the piezoelectric ceramic body. The collision force by, it is possible to obtain a large impact force than pressurization impulsive force of the steel ball, the result, it is possible to obtain a larger power generation amount.
また、請求項2に記載の発明によれば、固定部と弾性保持部材との間に、弾性保持部材の振動周期を調整可能な支点体を移動可能に配置したので、鋼球と弾性保持体との振動周期の同期を調整することができ、発電効率をより高めることができる。 According to the second aspect of the present invention, the fulcrum body capable of adjusting the vibration period of the elastic holding member is movably disposed between the fixed portion and the elastic holding member. And the synchronization of the vibration period can be adjusted, and the power generation efficiency can be further increased.
さらに、請求項3に記載した発明によれば、支点体は、前記弾性保持体に保持された圧電セラミックス体と鋼球との間隔を調整可能に構成したので、圧電セラミックス体に加わる衝突力を調整することができ、圧電セラミックス体に作用する過度な衝突力による破損を有効に防止して、より効率的な発電を行なうことができる。
Further, according to the invention described in
以下、添付図面に示す発明の実施例1に基づき、この発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on Embodiment 1 of the present invention shown in the accompanying drawings.
図1は、この発明の実施例1に係る圧電発電装置50しており、該圧電発電装置50は、固定部9と、該固定部9の上面9Aの右側に配設された圧電セラミックス体10と、該圧電セラミックス体10を該圧電セラミックス体10の固有振動が他の構造体に伝達しにくい柔状態で保持するクッション材3と、上記固定部9の上面9Aに挟持体54A,54Bで挟持固定されたバネ材で形成されてなる垂直弾性支持体51と、該垂直弾性支持体51の上端部に固定された水平弾性支持体52A,52Bと、この水平弾性支持体52A,52Bの両端部にそれぞれ固定されてなる硬質の加撃体である鋼球53A,53Bと、で構成されており、上記鋼球53Bに外力Fを付与することで、他方の鋼球53Aが共振作用によって上下振動を連続して繰り返し、上記圧電セラミックス体10を殴打して該圧電セラミックス体10に衝撃を与え発電させるように構成されている。
FIG. 1 shows a piezoelectric power generation apparatus 50 according to Embodiment 1 of the present invention. The piezoelectric power generation apparatus 50 includes a fixing portion 9 and a piezoelectric
即ち、棒状ステンレス等の金属体又はバネ材で形成されてなる上記水平弾性支持体52A,52Bは、上記垂直弾性支持体51の上端部からの長さ寸法が略同一(l1≒l2)を有して溶接固定されている。
That is, the horizontal elastic supports 52A and 52B formed of a metal body such as a rod-shaped stainless steel or a spring material have substantially the same length (l1≈l2) from the upper end of the vertical
圧電セラミックス体10自体の構成は、本出願人が先に提案している圧電セラミックス体と同様であるので、特に図示はしないが、同一材質、同一形状、同一厚さの2枚の板状の圧電セラミックス素子を、各圧電セラミックス素子の分極の極性を同一方向にし、かつ、該圧電セラミックス素子間に、りん青銅や真鍮等の導電性金属で10μm〜50μmの厚さに形成された極薄の金属電極11を配置し、これら圧電セラミックス素子と金属電極11を接合して構成されている。
Since the structure of the piezoelectric
金属電極11を上記極薄の厚さとすることで、該金属電極11による機械的な抵抗をごく僅かに抑えることができ、2つの圧電セラミックス素子と金属電極11の接合面を中心(伸縮しない部位)にたわみ振動が発生したとしても、該たわみ振動の金属電極11による減衰を可及的に小さく抑えることができる。尚、この実施例1の構成では、一方の側の圧電セラミックス素子が伸長すれば他方の側の圧電セラミックス素子は収縮し、かつ出力電圧の電極は逆方向となり、両圧電セラミックス素子は並列に接続された発電構成となる。
By setting the
また、この実施例1では、上記たわみ振動が行われると、一方の圧電セラミックス素子で伸長と伸縮との両方の作用が行われて、分極が打ち消されるということがなく効率的に発電が行われる。発電された電気エネルギーとしての電流は、両圧電セラミックス素子及び金属電極11に導電接続されたリード線を用いて取り出される。
Further, in the first embodiment, when the flexural vibration is performed, the one piezoelectric ceramic element performs both the expansion and the expansion and contraction, and the power generation is efficiently performed without the polarization being canceled. . The generated electric current as electric energy is taken out using lead wires conductively connected to both piezoelectric ceramic elements and the
また、ここでは2枚の圧電セラミックス素子を、金属電極11を介装して積層した場合を例にとり説明したが、各圧電セラミックス素子自体を、それぞれ積層構造とすることができる。この積層構造では、複数枚の圧電セラミックス素子を接合(この場合は分極の極性も同一方向に)して、一方の圧電セラミックス素子を形成する。
In addition, here, a case where two piezoelectric ceramic elements are laminated with the
このように、圧電セラミックス素子自体を積層構造とし、これを例えば弾性特性を有する接着材により接合した場合には、この弾性効果により、材質的に強度に欠ける圧電セラミックス体10の曲がりが容易になって曲げ強度を維持することができる。尚、この発明において、圧電セラミックス体10の外形形状は特に限られるものではなく、円形、楕円形、三角形、四角形或いは多角形等、利用実施に対応させて適宜の形状のものを用いることができる。
As described above, when the piezoelectric ceramic element itself has a laminated structure and is joined by, for example, an adhesive having an elastic characteristic, the bending of the piezoelectric
また、この実施例1に用いられる前記クッション材3は、合成樹脂材、ゴム材、或いはこれらをスポンジ状にした軟質の材料で構成されている。このようなクッション材3を用い、しかも、このクッション材3の中央部のみ或いは両端部を、接着材を用いて圧電セラミックス体10を固着したのは、圧電セラミックス体10の振動を減衰させないためである。圧電セラミックス体10が振動する場合、この圧電セラミックス体10を支持する部材は圧電セラミックス体10の振動を減衰させる要因になり、この減衰要因を取り除くために、クッション材3を用いて極力圧電セラミックス体10を自由な状態におく。
The
この発明のように、圧電セラミックス体10の歪みは、圧電セラミックス自体が持つ固有振動となって暫くの間、継続するが、この固有振動エネルギーの一部は、従来の構造では、固定部9に吸収され電気エネルギーとして取り出すことができないため、発電効率が落ちることは前記した通りである。
As in the present invention, the distortion of the piezoelectric
このため、この実施例1では、上記圧電セラミックス体10とクッション材3を、上記挟持体54Aに一端部が固定された水平方向に延びるバネ材で形成された弾性保持体60の自由端部側に保持し、上記垂直弾性支持部材51の固定部9から高さ寸法hを有して中空状態で保持するように構成されている。勿論、この弾性保持体60に保持された圧電セラミックス体10は、上記鋼球53Aの真下に位置し、所要のクリアランスCを有して保持されている。
For this reason, in the first embodiment, the piezoelectric
また、この実施例1では、上記鋼球53Aによる加撃力の電気エネルギーに変換されなかった一部の加撃力は、弾性保持体60に吸収されて蓄えられ、該吸収し蓄えられた力は、上記弾性保持体60をたわみ変形させた後、復元力となって、バネ材で形成された弾性保持体60に保持された圧電セラミックス体10を鋼球53Aの方向へと復動させるように構成されている。
In the first embodiment, a part of the impact force that has not been converted into the electrical energy of the impact force by the
また、本実施例1では、上記固定部9と弾性保持体60との間に、該弾性保持部材60の振動周期を調整可能な支点体70を移動可能に配置した。
In the first embodiment, the
この支点体70は、水平方向に移動可能に配設されており、弾性保持体60と頂部Aの接触点(線)から弾性保持体60の挟持体54Aまでの長さl3を調整することで、該支点Aから自由端部までの振動周期を可変することができ、鋼球53Aの振動周期と同期させることが容易となり、発電効率をより高めることができる。
The
さらに、この実施例1にあっては、上記支点体70は、前記弾性保持体60に保持された圧電セラミックス体10と鋼球53Aとの間隔Cを調整するため、例えば、ジャッキ機構或はねじ機構により昇降可能に構成されており、固定部9と支点Aとの高さ寸法hを昇降調整することで、上記間隔C寸法を可変して圧電セラミックス体10に加わる衝突力を調整することができると共に、圧電セラミックス体10に作用する過度な衝突力による破損を有効に防止して、より効率的な発電を行なうことができる。
Further, in the first embodiment, the
尚、上記実施例1では、上記圧電セラミックス体10を所謂並列構造とした場合を例にとり説明したが、この発明にあってはこれに限定されるものではなく、本出願人が先に提案した特許文献1に記載された所謂直列構造ものを用い、或いは、従来の公知構造からなる圧電セラミックス体を用いることができることは勿論であるが、最も発電効率が高いのは本実施例1に係る圧電セラミックス体10の構造である。
In the first embodiment, the case where the piezoelectric
ここで、図1に示す鋼球53A,53Bを0.9gの鋼球で形成し、かつ、l1,l2の長さを120mmとし、クッション材3をスポンジで形成し、さらに、弾性保持体60の長さを53mmとし、弾性保持体60と頂部Aの接触点(線)と弾性保持体60の挟持体54Aとの長さl3を14mmに設定すると共に、間隔Cを0.5mmに調整し、鋼球53Bの加振寸法D(図1参照)を10mmに設定した場合の圧電発電装置1による発電量を、前記図2に示す測定装置で電圧測定した。
Here, the
同一条件に設定した本出願人が先に提案した発電装置で得られた発電量は約3.6Vであったのに対して、本実施例1の圧電発電装置1で得られた発電量は、約4.9Vであった。先の発電装置に比べ136%向上させることができた。 The power generation amount obtained with the power generation device previously proposed by the applicant set to the same conditions was about 3.6 V, whereas the power generation amount obtained with the piezoelectric power generation device 1 of the first embodiment is The voltage was about 4.9V. Compared to the previous power generation device, it was improved by 136%.
尚、上記実施例1では、前記水平弾性支持体52A,52Bと垂直弾性支持体51との連結を、溶接で行う場合を例にとり説明したが、この発明にあってはこれに限定されるものではなく、ねじ止めやかしめ止め、或は強力な接着剤を用い或はハンダ付け等の公知の手段で一体的に連結することもできる。
In the first embodiment, the case where the horizontal
この発明に係る圧電発電装置は、以上のように構成されているので、本出願人が先に提案した圧電発電装置で得られる発電量よりもより大きな発電量を得ることができるので、例えば、携帯電話の電源として、或いは、救命ブイ等の電源に適用することができる。 Since the piezoelectric power generation device according to the present invention is configured as described above, it is possible to obtain a power generation amount larger than the power generation amount obtained by the piezoelectric power generation device previously proposed by the present applicant. It can be applied as a power source for a mobile phone or a power source for a life buoy or the like.
A 支点
C 間隔(クリアランス)
h 圧電セラミックス体と鋼球との間隔寸法
l3 弾性保持体と頂部の接触点(線)から弾性保持体の挟持体までの長さ寸法
1 圧電発電装置
3 クッション材
9 固定部
9A 固定部の上面
10 圧電セラミックス体
52A,52B 水平弾性部材
53A,53B 鋼球
60 弾性保持体
70 支点体
A fulcrum C interval (clearance)
h Dimension of distance between piezoelectric ceramic body and steel ball l3 Length dimension from contact point (line) of elastic holding body and top part to holding body of elastic holding body 1
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100524 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20100929 |